基于AMS AS7000動(dòng)態(tài)心率測(cè)量智能手環(huán)原理及設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于AMSAS7000動(dòng)態(tài)心率測(cè)量智能手環(huán)原理及設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步和高性能低功耗處理芯片的推出等，智能穿戴設(shè)備種類逐漸豐富，穿戴式智能設(shè)備已經(jīng)從概念走向商用化，谷歌眼鏡、蘋果手表、三星智能腕表、耐克的燃料腕帶、傳感器智能服、太陽能充電背包等穿戴式智能設(shè)備大量涌現(xiàn)，智能穿戴技術(shù)已經(jīng)滲透到健身、醫(yī)療、娛樂、安全、財(cái)務(wù)等眾多領(lǐng)域。目前在國(guó)內(nèi)手環(huán)市場(chǎng)上，自帶高精度心率檢測(cè)功能的智能手環(huán)也日趨成熟，小米還推出過心率手環(huán)，其中心率模塊用的就是AMS的動(dòng)態(tài)心率檢測(cè)芯片AS7000。

1系統(tǒng)總體方案介紹

如圖1基于AS7000心率手環(huán)系統(tǒng)框架所示，手環(huán)主要由充電管理系統(tǒng)、三軸加速度傳感器LIS3DH的計(jì)步檢測(cè)運(yùn)動(dòng)量信息系統(tǒng)、AS7000的動(dòng)態(tài)心率檢測(cè)系統(tǒng)、觸摸、OLED顯示、手機(jī)App藍(lán)牙信息交互系統(tǒng)共同組成。

1.1充電管理系統(tǒng)

圖1基于AS7000心率手環(huán)系統(tǒng)框架

STNS01芯片內(nèi)部集成了LDO穩(wěn)壓器和電池充電管理系統(tǒng)。它使用CC/CV算法給電池充電，充電電流可以使用一個(gè)外部電阻來選擇，充電電流400mA，浮動(dòng)電壓值是4.2V。輸入電源電壓通常用來為充電電池和LDO穩(wěn)壓器提供電力。當(dāng)一個(gè)有效的輸入電壓不存在并且電池存在的時(shí)候，設(shè)備會(huì)自動(dòng)切換到電池供電。

STNS01電池充電管理系統(tǒng)集成了過度充電、過放電和過電流保護(hù)電路，這樣可以有效地在故障條件下防止電池?fù)p壞。它還有一個(gè)充電控制引腳控制停止充電，當(dāng)我們從外部檢測(cè)電池過熱時(shí)。STNS0芯片在shutdown模式，電池電力消耗可以減少到500nA，這樣可以化地保證電池壽命，尤其在貨架期間或航運(yùn)期間。芯片的封裝尺寸只有3mes;3mm，為智能手環(huán)的PCB布局減少了很多的空間。

圖2STNS01系統(tǒng)原理

如圖2所示，其中芯片1管腳IN：電池管理芯片電壓輸入引腳。

芯片2管腳SYS：電池管理芯片3.1V輸出引腳，可以提供電源，跟LDI輸出引腳類似。

芯片3管腳LDO：電池管理芯片3.1V輸出引腳，具體見芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)描述。

芯片4管腳SD：LDO輸出控制引腳，默認(rèn)上拉使能。

芯片5管腳CHG：電池管理芯片錯(cuò)誤提示引腳，閃爍說明電源存在問題。

芯片6管腳CEN：充電使能引腳，上拉使能。芯片7管腳GND：地。芯片8管腳NTC：外部熱敏電阻。芯片9管腳ISET：充電電流控制引腳，接1kΩ電阻，電

流200mA。

圖3三軸加速度傳感器LIS3DH系統(tǒng)原理圖

芯片10管腳BTMS：電池電壓輸出引腳，分壓之后一般用來檢測(cè)電池端電壓。

芯片11管腳BATSNS：電池正極。

芯片12管腳BAT：電池正極。

1.2三軸加速度傳感器

方案中，我們用了2個(gè)三軸加速度傳感器，其中一個(gè)三軸加速度傳感器是做運(yùn)動(dòng)記錄的，我們可以使用傳感器做計(jì)步、睡眠等算法；而另外一個(gè)三軸加速度傳感器是和AS7000配合做動(dòng)態(tài)心率檢測(cè)功能的。三軸加速度我們使用的是意法半導(dǎo)體的LIS3DH，工作電流消耗位2uA，這款3mes;3mes;1mm的加速度傳感器適合運(yùn)動(dòng)感應(yīng)功能、空間和功耗受限的應(yīng)用設(shè)計(jì)，特別適合智能手環(huán)上的應(yīng)用。LIS3DH在±2g/±4g/±8g/±16g全量程范圍內(nèi)，LIS3DH可提供非常準(zhǔn)確的測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，在額定溫度和長(zhǎng)時(shí)間工作下，仍能保持卓越的穩(wěn)定性。本方案中，我們會(huì)使用LIS3DH完成計(jì)步功能的實(shí)現(xiàn)。計(jì)步器是一種日常鍛煉進(jìn)度監(jiān)控器，可以計(jì)算人們行走的步數(shù)，估計(jì)行走距離、消耗的卡路里，方便人們隨時(shí)監(jiān)控自己的健身強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)水平和新陳代謝。

如圖3所示，芯片4、6是作為I2C通訊引腳，分別是對(duì)于I2C的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線。

芯片第7引腳是LIS3DH芯片從機(jī)地址的選擇，接地代表本機(jī)從機(jī)7位地址是0x18，芯片第8引腳接高電平，代表選擇的是I2C通訊接口，如果接地代表選擇SPI通訊接口。

芯片9、11管腳：分別對(duì)應(yīng)三軸傳感器的中斷信號(hào)輸出引腳，一般用于數(shù)據(jù)緩存溢出時(shí)的給MCU端的中斷信號(hào)，有利于我們?cè)谧鲇?jì)步算法的時(shí)候管理MCU的功耗。

1.3AS7000動(dòng)態(tài)心率檢測(cè)系統(tǒng)

心率我們采用AMS的心率檢測(cè)芯片AS7000，該產(chǎn)品包含了高度集成的光學(xué)傳感器和相關(guān)軟件算法。它可提供行業(yè)的高精度光學(xué)心率測(cè)量（HRM）和心率變（HRV）測(cè)量。AS7000的運(yùn)作基于光電容積脈搏波描記法（PPG）。心臟收縮和擴(kuò)張時(shí)流經(jīng)血管血量的變化會(huì)引起血管的擴(kuò)張及收縮從而對(duì)光產(chǎn)生調(diào)制，通過測(cè)量該調(diào)制光可測(cè)得心率。與產(chǎn)生原始PPG數(shù)據(jù)的現(xiàn)有光學(xué)AFE不同，AS7000集成的微處理器可運(yùn)行艾邁斯半導(dǎo)體開發(fā)的特殊算法，將PPG數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成HRM和HRV值。它內(nèi)部集成了2個(gè)綠色LED、光敏器件、模擬前段（AFE）、微處理器M0以及HRM算法，它能實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)試，不管我們是在跑步、騎車，AS7000低噪聲和高靈敏度的模擬電路，算法結(jié)合加速度傳感器，過濾虛假心跳PPG信號(hào)。同時(shí)，心率監(jiān)督在智能手環(huán)上的應(yīng)用特別要考慮它的功耗問題，AS7000在心率連續(xù)測(cè)試模式下，可以把功耗降低到579uA，如果在測(cè)試待機(jī)模式下，可以降低到0.8uA。

AS7000的芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了心率采樣算法，所以我們只要通過I2C接口去讀取數(shù)據(jù)。

如圖4所示，其中第13、14引腳是和Host主機(jī)端的I2C通訊引腳。

第7、8引腳是AS7000的SWD仿真接口，AS7000內(nèi)部是一個(gè)M0內(nèi)核的MCU，主要用于心率算法的處理。其中第8

圖4AS7000原理

引腳GPIO8是控制AS7000芯片是否進(jìn)入待機(jī)模式，GPIO8輸出高電平，AS7000待機(jī)；GPIO8輸出低電平，AS7000正常運(yùn)行模式。

第11、12引腳是AS7000和LIS3DH的I2C通訊引腳，主要是因?yàn)锳S7000在實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)心率測(cè)試的時(shí)候，需要過濾掉運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的干擾。

第16引腳是GPIO5，在動(dòng)態(tài)心率算法的時(shí)候，AS7000需要三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)，種是可以像本方案這樣單獨(dú)掛一顆三軸加速度傳感器，另外一種是可以向主機(jī)請(qǐng)求三軸加速度數(shù)據(jù)。GPIO5就是在第二種方式的時(shí)候使用到的。但是考慮到三軸加速度的同步性問題，我們一般推薦種方式。

第3引腳，是Sigref引腳，AS7000的SWD功能是內(nèi)部可以關(guān)閉的，當(dāng)我們關(guān)閉SWD時(shí)，我們需要在AS7000的上電前，把Sigref引腳接到地，此時(shí)從上電之后的5s時(shí)間內(nèi)，SWD是活躍的，可以通過SWD接口實(shí)現(xiàn)對(duì)AS7000的程序燒寫功能。

第1、2、17、18引腳是AS7000LED燈的電源，我們好的設(shè)計(jì)是需要一顆DC/DC升壓到4V供電，為了確保足夠大的LED電流，同時(shí)要注意的是DC/DC需要有一個(gè)EN使能信號(hào)腳，用于控制功耗使用。本方案中我們是直接使用電池電壓作為電源，在測(cè)試中我們需要注意在電池電壓3.6V以上測(cè)試效果比較理想。同時(shí)我也使用了一個(gè)MOS管去控制整個(gè)電源的導(dǎo)通或截止。

1.4觸摸

我們選擇的是CY的SoC藍(lán)牙芯片CYBL10573，它內(nèi)部集成了CapaciveSigma-Delta（CSD）模塊，可以提供一流的信噪比和防水性能，所有GPIO都支持CapSense，使用靈活，并且支持單指和雙指觸摸應(yīng)用。

1.5OLED顯示

顯示這一塊我們選擇自發(fā)光OLED顯示屏，只要有一組I2C通訊接口就可以實(shí)現(xiàn)酷炫的界面顯示。

1.6手機(jī)app藍(lán)牙互聯(lián)

本方案我們使用CY的SoC藍(lán)牙芯片CYBL10573，內(nèi)部集成低功耗BLE藍(lán)牙模塊，BLE子系統(tǒng)包含鏈路層引擎和物理層。鏈路層引擎支持主設(shè)備和從設(shè)備模式。鏈路層引擎通過在硬件中實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間有嚴(yán)格要求的各項(xiàng)功能（如加密功能），從而降低功耗，并提供少的處理器干預(yù)和高性能特性。關(guān)鍵協(xié)議元素（如主機(jī)控制接口（HCI）和鏈路控制）都是通過固件實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)提供了直接測(cè)試模式（DTM），以便能夠使用標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙測(cè)試器來測(cè)試無線性能。物理層包含一個(gè)調(diào)制解調(diào)器和一個(gè)射頻收發(fā)器，該收發(fā)器以1Mbps的速度通過2.4

GHzISM帶傳輸和接收BLE數(shù)據(jù)包。發(fā)送時(shí)，該模塊將進(jìn)行GFSK調(diào)制，并在通過天線傳輸BLE數(shù)據(jù)包之前將該數(shù)據(jù)包的數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻。進(jìn)行接收時(shí)，該模塊會(huì)針對(duì)天線中的射頻信號(hào)進(jìn)行GFSK解調(diào)，以獲得數(shù)字比特流。射頻收發(fā)器包括集成的Balun。該Balun提供了一個(gè)單端射頻端口引腳，這樣能夠通過pi匹配網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)一個(gè)電阻為50歐的天線終端?？梢詫⑤敵龉β示幊虨楱C18dBm~+3dBm，以優(yōu)化不同應(yīng)用程序的電流消耗。

2系統(tǒng)軟件的功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

終智能手環(huán)要完成的功能：

1、基于AMSAS7000動(dòng)態(tài)心率檢測(cè);

2、基于意法半導(dǎo)體的電池管理芯片